Eine schnelle und unkomplizierte Form der Bereitstellung von Monitoringdaten unter relevanten Akteuren ist wesentlich für die nachhaltige intensive Nutzung oberflächennaher Geothermie. Eine automatisierte Datenerfassung und Darstellung reduziert dabei den Arbeitsaufwand und erlaubt es, bei Bedarf frühzeitig in das System einzugreifen. Für die im Oktober 2021 vorgestellten Testflächen zur Ermittlung der Einflüsse von verschiedenen Oberflächenbedeckungen auf die Untergrundtemperaturen wird dafür ein innovativer Ansatz getestet. Zur Echtzeit-Auswertung und grafischen Darstellung der ermittelten Messdaten wurde in Zusammenarbeit mit dem Research Data Management des UFZ ein umfangreiches Dashboard erstellt und kontinuierlich weiterentwickelt. Dazu wird die Open-Source Anwendung Grafana genutzt. Ausgewählte Sensoren senden täglich Daten, welche direkt über die Anwendung ausgewertet und grafisch dargestellt werden. Die Abbildung zeigt die so gewonnenen mittleren Bodentemperaturwerte in einer Tiefe von 5 cm für die jeweiligen Flächen, gemeinsam dargestellt mit den gemessenen Oberflächentemperaturdaten am Standort Leipzig-Holzhausen des Deutschen Wetterdienstes. Neben diesen in Echtzeit übertragenen Werten können auch manuell erfasste Messdaten nachträglich in die Datenbank eingepflegt und dargestellt werden.

Screenshot aus dem Grafanadashboard: Entwicklung der Bodentemperaturen unterhalb der Testflächen in 5 cm u GOK

Die Beobachtung der Entwicklung von Boden- und Grundwassertemperaturen im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des Untergrunds ist elementarer Bestandteil für die Beurteilung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit von Erdwärmeanlagen. Daher werden in EASyQuart verschiedene Messtechniken und Temperaturmonitoringkonzepte getestet und evaluiert.
An einem Gebäude in Berlin mit geothermischer Nutzung wird in Zusammenarbeit mit dem Verbundpartner geoEnergieKonzept das auf einzelnen Stichtagsmessungen beruhende konventionelle Grundwassertemperaturmonitoring mittels verschiedener Temperaturmessgeräte mit kontinuierlichen in-situ Messungen verglichen. Für diese kontinuierlichen Messungen wurden 29 Grundwassertemperaturlogger in Tiefen bis 100 m in drei Temperaturmessstellen installiert, welche in einem stündlichen Intervall die Untergrundtemperaturen erfassen. Die Ergebnisse der Arbeiten werden wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Bewertung der gängigen Temperaturmonitoringpraxis liefern.
 

Die vorherrschende Untergrund- und Grundwassertemperatur ist ein wesentlicher Parameter für die effiziente Dimensionierung von Erdwärmeanlagen. Im Projekt EASyQuart stehen vor allem dicht besiedelte, urbane Standorte im Fokus. Hier unterliegen Untergrundtemperaturen vielfachen zusätzlichen Einflüssen, beispielsweise durch Wärmeeinträge aus unterirdischen Infrastrukturen, aber auch durch veränderte Oberflächenbedingungen, charakterisiert durch Art und Grad der Versiegelung. Diese Einflüsse gilt es zu verstehen und einzuordnen, um qualifizierte Aussagen über Untergrundtemperaturen in urbanen Räumen treffen zu können.
Für diesen Zweck wurde eine Testfläche auf dem UFZ-Gelände eingerichtet. Die Teilflächen (Rasen, versiegelter Untergrund – Asphalt, heller und dunkler wasserdurchlässiger Untergrund - Kies) repräsentieren oft genutzte Oberflächen in urbanen Räumen. Die Teilflächen sind mit vielfältiger Messtechnik ausgestattet, um die Entwicklung der Untergrundtemperaturen in verschiedenen Tiefen aufzuzeichnen. Für einige der Sensoren wurde zu weiteren Testzwecken eine Echtzeit-Ferndatenübertragung zur webbasierten Darstellung der Messdaten eingerichtet. Eine darauf basierende online Plattform zur Datenbereitstellung befindet sich derzeit noch im Aufbau.
Luftbild der Testflächen (Foto: M. Kreck)

Eine möglichst genaue und hochaufgelöste Charakterisierung hydrogeologischer und petrophysikalischer Untergrundeigenschaften ist essentiell für die effiziente Auslegung von Geothermieanlagen. Dabei sind konventionelle Methoden, wie der Thermal Response Test gut geeignet, um die Wärmeleitfähigkeit an einzelnen Punkten zu ermitteln. Zur Charakterisierung größerer Flächen sind Punktmessungen im Allgemeinen allerdings nur bedingt geeignet, da diese die Heterogenitäten im Untergrund oft nicht ausreichend darstellen können. Die Entwicklung innovativer Methoden zur Erkundung von Quartieren im Rahmen der geothermischen Erschließung ist deshalb von großer Bedeutung. Ein vielversprechender Ansatz der Standorterkundung liegt in der Kopplung von flächenhaften und punktbasierten Erkundungsdaten. Um diesen Ansatz auf die geothermische Erkundung zu übertragen, wurde im Februar 2021 auf einer Testfläche im Rhein-Main Gebiet ein umfangreicher Datensatz erhoben. Dazu wurden sowohl oberflächengeophysikalischen Messungen (Geoelektrik) als auch Direct Push-Sondierungen zur vertikal hochaufgelösten Messung relevanter Untergrundeigenschaften durchgeführt. Zusätzlich wurden Bodenproben zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten im Labor entnommen. Ziel der Untersuchungen ist es, Konzepte und Methoden für eine zuverlässige und zugleich effiziente geothermische Vorerkundung auf Quartiersskala zu entwickeln.

Direct-Push Sondierungen Februar 2021 (Foto: M. Stilling)

Das Grundwassertemperaturmonitoring dient bei der intensiven Nutzung oberflächennaher Geothermie auf Quartiersskala der Sicherstellung einer ökologisch und ökonomisch nachhaltigen thermischen Nutzung des Untergrundes. Obgleich der Relevanz von Monitoringdaten fällt eine Beurteilung der Repräsentativität von gemessenen Grundwassertemperaturen in der Praxis häufig schwer. Um der Frage der Repräsentativität von gemessenen Grundwassertemperaturen nachzugehen, wurden auf dem geothermischen Testfeld des UFZ acht Grundwassertemperaturmessstellen in Betrieb genommen und mit Temperaturmesstechnik ausgestattet. Zunächst wird experimentell untersucht, welchen Einfluss die Grundwassertemperaturmessstellen selber auf die Messwerte haben. Dazu werden tiefenorientierte Zeitreihen der Grundwassertemperaturen in sechs Messstellen mit unterschiedlichem Ausbaudurchmesser und Filterstrecken, sowie zwei identisch ausgebauten Messstellen mit und ohne ganzjähriger Beschattung mittels autonomer Temperaturlogger erhoben, verglichen und Unsicherheiten quantifiziert. Das geothermische Testfeld bietet zudem ideale Bedingungen für weitere Untersuchungen wie die Betrachtung der Unsicherheiten durch die Benutzung unterschiedlicher Grundwassertemperaturmessgräte. Zusätzlich sind auf dem bereits vorhandenen Erdwärmesondenfeld die Erprobung neuer geothermischer Erkundungsmethoden und ein Vergleich konventioneller, etablierten Verfahren wie dem Thermal Response Tests vorgesehen.

Schematische Skizze der Testfläche des UFZ

Welche Auswirkungen hat die intensive Nutzung oberflächennaher Geothermie auf Quartiersskala tatsächlich auf die lokalen Grundwassertemperaturen? Um diese Frage zu beantworten, betreibt das UFZ Department Monitoring- und Erkundungstechnologien seit rund sieben Jahren ein Grundwassertemperaturmonitoring in einem Kölner Quartier mit intensiver geothermischer Nutzung als Reallabor, das im Projekt EASyQuart jetzt als Referenzfläche weiter untersucht wird.
Dazu wurde die vorhanden Messtechnik überprüft und auf den neuesten Stand gebracht, um das zeitlich und räumlich hochaufgelöste Grundwassertemperaturmonitoring fortzuführen. Hierdurch wird ein für die Forschung und Praxis gleichermaßen wertvoller Datensatz erhoben, der es erlaubt, Modellvorhersagen zur Grundwassertemperaturentwicklung am Standort zu bewerten und grundlegende Empfehlungen zu den Anforderungen an das Monitoring abzuleiten.

Referenzstandort Köln